CN111623980A - 变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法，涉及车辆零部件性能检测技术领域。本发明通过变速器按整车前进方向或倒车方向对变速器进行驱动，控制变速器输入端的转速为恒定值，同时测定输入端的系列扭矩；分别根据输入端的系列转速值及扭矩值，计算得到该输入端的系列扭矩值及转速值所对应的损耗功率，再计算出各零部件相对应的功率损耗，即可评价该变速器整个传动系统功率损失情况。因此，本发明可以准确地测量、量化变速器传动损失，评价该变速器整个传动系统各零部件功率损失情况，优化各零部件的功率损耗；同时，亦可研究润滑油温度、车速、不同工艺过程控制等对功率损失的影响。

Description

变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法

技术领域

本发明涉及车辆零部件性能检测技术领域，尤其是一种变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法。

背景技术

变速器具有变速变扭功能，使汽车适应性更强，研究变速器内部功率损耗意义重大。例如，驱动桥作为变速器的一种，具备降速增扭的作用，一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成。其处于动力传动系的末端，基本功能是：将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速器、差速器、半轴等传到驱动车轮，实现降速增大转矩；通过主减速器圆锥齿轮副改变转矩的传递方向；通过差速器实现两侧车轮差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转向；通过桥壳体和车轮实现承载及传力作用。

随着国家对整个社会环保意识的增强，整个商用车行业的不断向前发展，对产品质量及能耗提出更高要求。因此，如何尽可能的减少变速器内部传动零部件的损耗进是如今变速器技术乃至商用车行业开发亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法，该方法通过测定变速器衍生扭矩的大小，计算其内部零部件功率损失，对对零部件结构进行改进，减少变速器内部传动零部件的损耗，可减少汽车能耗，还可降低变速器发热量，减缓润滑油变质，改善零部件润滑环境；有效的避免重载车辆在爬坡时出现烧蚀现象的问题。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

按整车前进方向或倒车方向对变速器输入端进行驱动，控制润滑油温度为恒定值，控制变速器输入端的转速，测量输入端负载扭矩；根据输入端的转速值及扭矩值，计算该变速器内部各零部件的系列扭矩值和转速值所对应的功率损耗。

上述技术方案中，更具体的技术方案还可以是：要求润滑油温度的温差保持在±1℃范围内，并在该条件下，设置采样频率100Hz，当采集的变速器转速值和扭矩值状态稳定1分钟后开始采集数据，时间段为10s，且采集5个时间段，取该5个时间段的平均值进行记录。

进一步的，采集变速器转速值用的转速传感器精度为±1rpm；采集变速器扭矩值用的扭矩传感器规格为0-200Nm，精度为0.50‰。

进一步的，在正式采集变速器转速值和扭矩值数据前对变速器进行以下的磨合过程：

(1)变速器正齿面磨合：速度为汽车在80km/h时的转速，分别按以下方式磨合：

a、按照额定输出扭矩的25％磨合120分钟；

b、按照额定输出扭矩的50％磨合120分钟；

c、按照额定输出扭矩的75％磨合120分钟；

(2)变速器反齿面磨合：

以速度为汽车在30km/h时的转速，按照额定输出扭矩的25％磨合120 分钟。

进一步的，所述磨合过程中，控制整个输出扭矩和速度在设置值的2％的公差以内，润滑油温度保持在90℃±5℃的范围内。

进一步的，将采集得到的变速器转速值和扭矩值代入以下计测定公式进行计算：

①主被齿啮合阻力矩测定公式为：

其中，f_m为摩擦因素，与载荷强度因素、齿轮节圆线速度、齿轮副齿数、齿轮接触宽度、润滑油粘度、小轮齿宽中点分度圆半径等相关；β_m齿轮螺旋角；T_p小轮转矩；M为平均机械效率，与齿宽中点压力角、节圆法向压力角、齿轮啮入滑动比、齿轮啮出滑动比、齿轮外锥距等参数相关；

②根据斜齿圆柱齿轮设计标准，斜齿圆柱齿轮啮合阻力矩测定公式为：

其中：f_m为摩擦因素，与载荷强度因素、齿轮节圆线速度、齿轮副齿数、齿轮接触宽度、润滑油粘度、小轮齿宽中点分度圆半径等相关；β_w齿轮节圆螺旋角；T_i输入转矩；M为平均机械效率，与齿宽中点压力角、节圆法向压力角、齿轮啮入滑动比、齿轮啮出滑动比、齿轮外锥距等参数相关；

③齿轮旋转阻力矩测定公式为：

T_gear＝T_bevel+T_diff+T_cylin(Nm)

其中，T_bevel为主被齿啮合阻力矩；T_diff为差速器齿轮啮合阻力矩，依据经验，该扭矩对整桥衍生扭矩贡献很小，可忽略不计；T_cylin为斜齿圆柱齿轮啮合阻力矩；

④轴承阻力矩测定公式为：

其中，f₁为摩擦因素，根据轴承型号确定；d_m轴承平均直径，mm；a 载荷修正系数，b为直径修正系数，值的确定参考ISO/TR 14179-1查取；p₁轴承当量动载荷，与轴承锥角、轴向力、径向力相关，具体查相关轴承手册；

⑤油封阻力矩测定公式为：

T_seal＝k·D_s (Nm)

其中，k为橡胶特征系数，一般氟橡胶，取3.737；丁腈橡胶，取2.429；D_s为油封内径，mm；

⑥润滑油阻力矩测定分为齿轮搅油功率损耗、轴承搅油阻力矩，具体如下：

所述齿轮搅油功率损耗测定公式为：

其中，f_g为齿轮侵油系数，与齿轮侵油深度有关，取0-1中的某数，查表得到；

v为润滑油粘度，mm²/s；n为齿轮转速，rpm/min；

F齿轮宽度，mm；R_f为表面粗糙度因素，

m_t为端面模数；

A_g为齿轮排列常数，一般取0.2；β为齿轮螺旋角；

所述轴承搅阻力矩测定公式为：

T_oil-B＝1.6×10^-8·f₀·d_m ³(Nm) (v·n＜2000时)

T_oil-B＝10^-10·f₀·(v·n)·d_m ³(Nm) (v·n≥2000时)

其中，f₀为轴承侵油系数，通过ISO/TR 14179-1查取；

v为润滑油粘度，mm²/s；n为齿轮转速，rpm/min；

d_m轴承平均直径，mm；

⑦变速器总成衍生扭矩的组成及其测定公式为：

T_总＝T_gear+T_bearing+T_seal+T_oil(Nm)

其中：T_gear齿轮旋转阻力矩；T_bearing轴承旋转阻力矩；T_seal油封旋转阻力矩，

T_oil

其值按油封厂家测定摩擦阻力矩数据为准；润滑油旋转阻力矩；

⑧各零部件功率损耗的计算公式如下：

其中，n_b为转速条件；T_a为在某零部件该转速n_b条件下的旋转阻力矩； P_a为该零部件在该转速n_b条件下的功率损耗值。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1.本发明要求按照工艺技术文件装配出驱动桥，对齿轮滑移阻力矩、轴承预紧阻滞力矩、油封抱轴阻力矩等因素开展量化分析；在设定的某稳态温度条件下，通过驱动桥按整车前进方向或倒车方向对驱动桥进行驱动，控制驱动桥输入端的转速为恒定值，同时测定输入端的系列扭矩；分别根据输入端的系列转速值及扭矩值，计算得到该输入端的系列扭矩值及转速值所对应的损耗功率，再计算出各零部件相对应的功率损耗，即可评价该驱动桥整个传动系统功率损失情况，且该方法可以准确地测量、量化驱动桥传动损失，优化各零部件的功率损耗。

2.本发明可用于研究润滑油温度、车速、不同工艺过程控制等对功率损失的影响。

3.本发明要求采用转速传感器精度为±1rpm，扭矩传感器采用小扭矩规格扭矩传感器(0-200Nm，精度为0.50‰)，提高其测量精度。

4.本发明方法可测试驱动桥(或变速器)总成，可测试驱动桥(或变速器总成)最大输入扭矩：40000Nm、最大输入转速：3500RPM；因此，发明方法适用范围广。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

本案例采用方盛车桥(柳州)有限公司某平台单级减速驱动桥产品，速比为4.111，轮胎滚动半径为520mm，设计最大输出扭矩为35000Nm，本次测试采用小扭矩规格扭矩传感器(0-200Nm，精度为0.50‰)驱动的方式采用正转驱动对该单级减速驱动桥衍生扭矩进行测试，然后计算得出损失功率。

试验准备工作：

(1)测试的样件应按图纸生产，按照工艺过程文件对样件装配过程参数进行控制，例如设置好的轴承预紧力、间隙等；

(2)润滑油油量及牌号按照驱动桥设计添加，配备测量驱动桥内部油温的传感器；

(3)扭矩传感器的安装，通过工装直接安装于驱动桥输入轴端，直接测量输入转速和扭矩。

驱动桥衍生扭矩测定方法，试验系统采用一套可实现自动测试的综合性能试验台，由加载单元、电气控制单元、数据采集系统、测试用工装等部分构成。该试验测试系统的数据采集单元自动采集各类传感器信号，传输至计算机控制系统进行分析处理，生成检测数据、曲线、结论。

本次试验采用85w-90牌号润滑油(整个测试过程中必须固定某种润滑油)，不同转速、不同润滑油温度影响驱动桥(或变速器)的功率损失。4个速度值(10km/h，40km/h，60km/h，80km/h)和2个温度值(69℃，90℃)，这样将需要测试8个数据点，记录每个工况点下，输入端扭矩测量数值。

润滑油温控制系统，要求油温保持在±1℃范围内，控制驱动桥输入转速±1rpm，设置采样频率100Hz，达到该状态稳定1分钟后开始测试，当采集的驱动桥扭矩值和转速值状态稳定1分钟后开始采集数据，时间段为10s，且采集5个时间段，取该5个时间段的平均值进行记录。

在正式采集数据前对驱动桥进行以下的磨合过程：

(1)变速器正齿面磨合：速度为汽车在80km/h时的转速，分别按以下方式磨合：

a、按照额定输出扭矩的25％磨合120分钟；

b、按照额定输出扭矩的50％磨合120分钟；

c、按照额定输出扭矩的75％磨合120分钟；

(2)变速器反齿面磨合：

以速度为汽车在30km/h时的转速，按照额定输出扭矩的25％磨合120 分钟。

试验测试得到该款桥衍生扭矩数据如表1所示：

表1

。

驱动桥传动系统如下表2所示：

表2

。

下面以车速60km/h，驱动桥润滑油温度为69℃为例，计算驱动桥主减速器及轮边部分功率损耗，其中零部件各参数按表2方法进行提取，根据以下公式进行计算，得到各零部件功率损耗如表3所示：

①主被齿啮合阻力矩测定公式为：

其中，f_m＝0.15为摩擦因素；β_m＝26.828齿轮螺旋角；T_p＝27.2小轮转矩； M＝0.94为平均机械效率；

②齿轮旋转阻力矩测定公式为：

T_gear＝T_bevel+T_diff+T_cylin(Nm)

其中，T_bevel为主被齿啮合阻力矩；T_diff＝0为差速器齿轮啮合阻力矩；T_cylin为斜齿圆柱齿轮啮合阻力矩；

③轴承阻力矩测定公式为：轮毂内轴承为例

其中，f₁＝0.0025为摩擦因素；d_m＝140mm轴承平均直径；a＝1载荷修正系数，b＝1为直径修正系数；p₁＝295KN轴承当量动载荷；

④油封阻力矩测定公式为：轮毂油封为例

T_seal＝k·D_s (Nm)

其中，k＝3.737为橡胶特征系数；D_s＝188mm为油封内径；

⑤润滑油阻力矩测定分为齿轮搅油功率损耗、轴承搅油阻力矩，具体如下：

所述齿轮搅油功率损耗测定公式为：

其中，f_g＝0.7为齿轮侵油系数；D＝440mm为齿轮外径；

v＝2.565mm²/s为润滑油粘度；n＝306rpm/min为齿轮转速；

F＝72mm齿轮宽度；

为表面粗糙度因素，m_t＝8.276为端面模数；

A_g＝0.2为齿轮排列常数；β＝26.828为齿轮螺旋角；

所述轴承搅阻力矩测定公式为：轮边内轴承为例

T_oil-B＝1.6×10^-8·f₀·d_m ³(Nm) (v·n＜2000时)

T_oil-B＝10^-10·f₀·(v·n)·d_m ³(Nm) (v·n≥2000时)

其中，f₀＝0.6为轴承侵油系数；

v＝2.565mm²/s为滑油粘度，n＝306rpm/min为轮边轴承转速；

d_m＝140mm轴承平均直径；

⑥变速器总成衍生扭矩的组成及其测定公式为：

T_总＝T_gear+T_bearing+T_seal+T_oil(Nm)

其中：T_gear齿轮旋转阻力矩；T_bearing轴承旋转阻力矩；T_seal油封旋转阻力矩，其值按油封厂家测定摩擦阻力矩数据为准；T_oil润滑油旋转阻力矩；

⑦各零部件功率损耗的计算公式如下：

其中，n_b为转速条件；T_a为在某零部件该转速n_b条件下的旋转阻力矩；为该零部件在该转速n_b条件下的功率损耗值。

表3

。

综上，该实施例通过本发明方法准确的测量出驱动桥自身传动系统旋转阻力矩，即可得到各零部件扭矩消耗占比，得到各零部件的功率损耗。而从表3给出的数据显示，驱动桥的螺旋锥齿轮副、润滑油(齿轮、轴承等搅油)等功率损耗较大，从而指导齿轮重新设计及加工工艺改进，改善齿轮滑移及传动误差；降低润滑油运动粘度等；降低驱动桥功率损失，提高驱动桥传动效率，减少驱动桥发热量。

Claims (6)

1.一种变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法，其特征在于：

按整车前进方向或倒车方向对变速器输入端进行驱动，控制润滑油温度为恒定值，控制变速器输入端的转速，测量输入端负载扭矩；根据输入端的系列转速值及扭矩值，分别计算该变速器内部各零部件的系列扭矩值和转速值所对应的功率损耗，再计算出各零部件相对应的功率损耗。

2.根据权利要求1所述的变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法，其特征在于：

要求润滑油温度的温差保持在±1℃范围内，并在该条件下，设置采样频率100Hz，当采集的变速器转速值和扭矩值状态稳定1分钟后开始采集数据，时间段为10s，且采集5个时间段，取该5个时间段的平均值进行记录。

3.根据权利要求2所述的变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法，其特征在于：

采集变速器转速值用的转速传感器精度为±1rpm；采集变速器扭矩值用的扭矩传感器规格为0-200Nm，精度为0.50‰。

4.根据权利要求3所述的变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法，其特征在于：

在正式采集变速器转速值和扭矩值数据前对变速器进行以下的磨合过程：

(1)变速器正齿面磨合：速度为汽车在80km/h时的转速，分别按以下方式磨合：

a、按照额定输出扭矩的25％磨合120分钟；

b、按照额定输出扭矩的50％磨合120分钟；

c、按照额定输出扭矩的75％磨合120分钟；

(2)变速器反齿面磨合：

以速度为汽车在30km/h时的转速，按照额定输出扭矩的25％磨合120分钟。

5.根据权利要求4所述的变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法，其特征在于：

所述磨合过程中，控制整个输出扭矩和速度在设置值的2％的公差以内，润滑油温度保持在90℃±5℃的范围内。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的变速器衍生扭矩测定及其内部零部件功率损失量化方法，其特征在于：

将采集得到的变速器转速值和扭矩值代入以下计测定公式进行计算：

①主被齿啮合阻力矩测定公式为：

其中，f_m为摩擦因素；β_m齿轮螺旋角；T_p小轮转矩；M为平均机械效率；

②根据斜齿圆柱齿轮设计标准，斜齿圆柱齿轮啮合阻力矩测定公式为：

其中：f_m为摩擦因素；β_w齿轮节圆螺旋角；T_i输入转矩；M为平均机械效率；

③齿轮旋转阻力矩测定公式为：

T_gear＝T_bevel+T_diff+T_cylin(Nm)

其中，T_bevel为主被齿啮合阻力矩；T_diff为差速器齿轮啮合阻力矩；T_cylin为斜齿圆柱齿轮啮合阻力矩；

④轴承阻力矩测定公式为：

其中，f₁为摩擦因素；d_m轴承平均直径，mm；a载荷修正系数；b为直径修正系数；p₁轴承当量动载荷；

⑤油封阻力矩测定公式为：

T_seal＝k·D_s(Nm)

其中，k为橡胶特征系数；D_s为油封内径，mm；

⑥润滑油阻力矩测定分为齿轮搅油功率损耗、轴承搅油阻力矩，具体如下：

所述齿轮搅油功率损耗测定公式为：

其中，f_g为齿轮侵油系数；

v为润滑油粘度，mm²/s；n为齿轮转速，rpm/min；

F齿轮宽度，mm；R_f为表面粗糙度因素，

m_t为端面模数；

A_g为齿轮排列常数；β为齿轮螺旋角；

所述轴承搅阻力矩测定公式为：T_oil-B＝1.6×10^-8·f₀·d_m ³(v·n＜2000时)

T_oil-B＝10^-10·f₀·(v·n)·d_m ³(v·n≥2000时)

其中，f₀为轴承侵油系数；

v为润滑油粘度，mm²/s；n为齿轮转速，rpm/min；

d_m轴承平均直径，mm；

⑦变速器总成衍生扭矩的组成及其测定公式为：

T_总＝T_gear+T_bearing+T_seal+T_oil(Nm)

其中：T_gear齿轮旋转阻力矩；T_bearing轴承旋转阻力矩；T_seal油封旋转阻力矩，其值按油封厂家测定摩擦阻力矩数据为准；T_oil润滑油旋转阻力矩；

⑧各零部件功率损耗的计算公式如下：

其中，n_b为转速条件；T_a为在某零部件该转速n_b条件下的旋转阻力矩；P_a为该零部件在该转速n_b条件下的功率损耗值。